土体物理力学参数对基坑变形的影响分析

土体物理力学参数对基坑变形的影响分析

作者：关倩 马跃

来源：《科技视界》2014年第02期

【摘 要】在深基坑开挖过程中，基坑支护结构除满足自身强度要求外，还须满足变形要求，将基坑周边土体的变形控制在允许范围之内。本文采用单因素分析法分析支护结构土体物理力学参数对基坑变形的影响，结合具体工程，采用有限差分分析软件FLAC对单项因素进行模拟分析，对控制基坑变形提供了一些可供工程参考的结论。

【关键词】深基坑；支护结构；土体物理力学参数；影响因素； FLAC 0 引言

影响基坑变形的因素很多，土体的物理力学参数方面如土的变形模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和重度等，本文采用单因素分析法着重分析土体的物理力学参数对基坑变形的影响，即其它参数固定，而只改变一个参数进行分析计算。本文将采用这种方法，运用有限差分分析软件FLAC3D结合具体工程对单项因素进行模拟分析，得出支护结构设计参数对基坑变形的影响。 1 工程概况

某基坑工程，基坑周长达1700m，基坑周边拟开挖深度约10m，由于基坑周边紧邻高层建筑物及交通干道，地下管线错综复杂，对环境保护要求高，因此本基坑支护采用的总体方案为：坡顶进行大面积减载放坡、大直径钻孔灌注桩作为支护桩、双排粉喷桩作为止水帷幕的支护方案。

2 模型的建立[2-3]

工程经验表明，基坑开挖的影响宽度约为开挖深度3～4倍，影响深度约为开挖深度的2～4倍，同时为了减少计算量，模型只取了支护体的一段，FLAC计算模型自基坑开挖边缘到边界的距离取为50m，模型的深度方向取35m，以尽量减小模型边界条件对基坑变形的影响。岩土材料使用Mohr-Coulomb模型。开挖涉及的土层有八层，具体参数如下表1： 表1 土层摩尔—库仑模型计算参数

本基坑模型采用brick单元创建，模拟中支护结构采用FLAC内置的结构单元，锚索利用cable单元设置，桩采用pile单元设置。模拟时将锚索端头部位和桩的连接段定义为刚性连接，将支护桩的底部也定义为刚性连接。基坑支护结构图如图1所示。 图1 基坑支护结构图

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3 计算结果的分析

由于土体的力学特性比较复杂，所以分析土体参数对变形的影响非常重要。在基坑开挖的过程中，由于各土层的参数和应力状态不同，对基坑变形的影响就不同，因此在研究土体力学参数对基坑变形的影响时，要找出影响变形的关键土层。也就是要分别考虑各土层的在变化相同情况下对基坑变形的影响。下面就用这种方法对此深基坑工程进行数值分析和参数研究，分析土体物理力学性质对基坑变形的影响。

在影响基坑变形的土体参数中，对基坑变形的影响最明显的是土体弹性模量、粘聚力和内摩擦角。白永学[4]对天津地铁某车站进行了土体参数研究，研究成果如下表2示。由表可知，弹性模量对基坑变形的影响最为显著。为了考察土体弹性模量对桩体水平位移的影响，本文在分析模型中分别改变桩体所在的第三到第五层土的弹性模量进行模拟计算，其余计算参数保持不变，以基坑开挖结束时情况进行分析比较，基坑开挖结束时支护结构水平位移结果如图2所示。

表2 土层参数变化的影响

图2 不同土体弹性模量下桩体水平位移

从图2可以看出，在土体强度参数（c、φ值）相同的条件下，水平位移随着E的减小而增大，但变形趋势基本相同。第三层淤泥质粉质粘土体弹性模量的减小使桩顶位移迅速增大，对桩体水平位移的影响效果显著。第四层粉质粘土位于桩体中下部，其弹性模量的降低对水平位移的影响也很显著，桩体最大位移量有较大增加。第五层粉砂层相对于第三、四土层的影响较小。所以在基坑施工过程中，对支护结构变形的影响较大的土层是桩体所在土层的中下土层，在基坑的施工设计中应给予关注。

由上可知桩体水平位移对E的变化是高度敏感的，主要表现在两个方面：一是当土体弹性模量增加时，坑外的土体的稳定性更好，作用在支护桩上的力减小，使桩体变形减小；二是坑内未开挖的土体弹性模量增加以后，对桩体变形的约束作用变大，使桩体位移减小。因此在基坑设计中，除了考虑粘聚力和内摩擦角等参数外，还要考虑土体弹性模量这样一个因素，而且选择该参数时要十分谨慎。 4 结论

在以上定量计算分析的基础上，总结了土层参数对基坑变形影响的大小和规律。土体的各土层参数的变化对基坑变形的影响是不同的，桩体所处土层的中下土层对对基坑变形影响最大。这可以在基坑设计时做到心中有数，尽量避免事故的发生，同时对研究支护结构变形的控制对策，提供了一些可供工程参考的结论。 【参考文献】

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[1]Long M..Database for retaining wall and ground movements due to deep excavations[J]. Journalof Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2001，127（33）：203-224. [2]唐辉明，宴鄂川，胡新丽.工程地质数值模拟的理论与方法[M].武汉：中国地质大学出版社，2001.

[3]彭文斌.FLAC实用教程[M].机械工业出版社.

[4]白永学. 软土地铁车站深基坑变形的影响因素及其控制措施[D].西南交通大学，2006. [5]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997. [责任编辑：曹明明]